По теории струн нанесен серьезный удар

В самом сердце галактического скопления, расположенного на расстоянии 200 миллионов световых лет от нас, астрономы не смогли обнаружить гипотетические частицы, называемые аксионами.

Открытие имеет довольно серьезные последствия для теории струн и развития «Теории всего», которая должна описывать физические законы Вселенной.

Что касается понимания того, как работает Вселенная, ученые разработали довольно неплохие теории. Например, общую теорию относительности, описывающую, как физика работает на макроуровне, а также квантовую механику, раскрывающую, что происходит на атомном и субатомном уровнях.

Но проблема состоит в том, что обе эти теории не ладят друг с другом. Общая теория относительности не может быть «уменьшена» до квантового уровня, а квантовая механика не может быть «расширена». Было много попыток их согласования — создания «Теории всего».

Одним из наиболее многообещающих кандидатов, решающих проблему, является так называемая теория струн, которая включает в себя замену точек-частиц физики элементарных частиц на крошечные одномерные струны.

Многие модели теории струн предсказывают существование аксиона — частицы сверхнизкой массы из гипотезы 1970-х годов. Она решала в теории проблему того, почему атомные силы следуют так называемой симметрии четности заряда, чего, согласно многим теориям, делать не должны. Как оказалось, теория струн также предсказывает множество частиц, которые ведут себя как аксионы, из-за чего их назвали аксионоподобными частицами.

Одним из свойств аксионоподобных частиц является умение превращаться в фотон при прохождении через магнитное поле. И, наоборот, фотоны могут превращаться в аксионоподобные частицы, совершая то же действие. Вероятность превращения зависит от ряда факторов: напряженности магнитного поля, пройденного расстояния и массы частицы.

И в этот момент вдруг появляется астрофизик Кристофер Рейнольдс из Кембриджского университета в Великобритании и его команда. С помощью рентгеновской обсерватории Чандра ученые исследовали активное ядро галактики NGC 1275, которая находится на расстоянии около 237 миллионов световых лет от нас, в центре скопления галактик, называемых Скопление Персея.

Восьмидневное наблюдение закончились тем, что они почти ничего не смогли узнать о черной дыре галактики из-за плотных облаков газа перед ней. Но затем они поняли, что в этих обстоятельствах можно попробовать обнаружить аксионоподобные частицы: «Рентгеновское излучение от NGC1275 должно проходить через горячий газ Скопления Персея, а этот газ намагничен, — пояснил Рейнольдс. — Магнитное поле относительно слабое (более чем в 10 000 раз слабее, чем магнитное поле на поверхности Земли), но рентгеновские фотоны должны преодолевать огромное расстояние, проходя через это магнитное поле. Следовательно, существует высокая доля вероятности преобразования фотонов в аксионоподобные частицы (при условии, что аксионоподобные частицы имеют достаточно малую массу)».

Поскольку вероятность преобразования зависит от длины волны рентгеновских фотонов, наблюдения должны выявить искажение — некоторые длины волн более эффективны для данного процесса. Команда ученых около года искала искажения, но так его и не обнаружила.

Выходит, существование аксионов в рассмотренном диапазоне масс (вплоть до одной миллионной миллиардной массы электрона), теперь под вопросом.